加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術提出的重要課題。當物體具有很大的加速度時,物體及其所載的儀器設備和其他無相對加速度的物體均受到能產(chǎn)生同樣大的加速度的力,即受到動載荷。
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欲知動載荷就要測出加速度。其次,要知道各瞬時飛機、火箭和艦艇所在的空間位置,可通過慣性導航(見陀螺平臺慣性導航系統(tǒng))連續(xù)地測出其加速度,然后經(jīng)過積分運算得到速度分量,再次積分得到一個方向的位置坐標信號,而三個坐標方向的儀器測量結(jié)果就綜合出運動曲線并給出每瞬時航行器所在的空間位置。再如某些控制系統(tǒng)中,常需要加速度信號作為產(chǎn)生控制作用所需的信息的一部分,這里也出現(xiàn)連續(xù)地測量加速度的問題。能連續(xù)地給出加速度信號的裝置稱為加速度傳感器。
常見加速度計的構件如下:外殼(與被測物體固連)、參考質(zhì)量,敏感元件、信號輸出器等。加速度計要求有一定量程和精確度、敏感性等,這些要求在某種程度上往往是矛盾的。以不同原理為依據(jù)的加速度計,其量程不同(從幾個
g到幾十萬個
g),它們對突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見的加速度計所依據(jù)的原理有:①參考質(zhì)量由彈簧與殼體相連(見圖),它和殼體的相對位移反映出加速度分量的大小,這個信號通過電位器以電壓量輸出;②參考質(zhì)量由彈性細桿與殼體固連,加速度引起的動載荷使桿變形,用應變電阻絲感應變形的大小,其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信號;③參考質(zhì)量通過壓電元件與殼體固連,質(zhì)量的動載荷對壓電元件產(chǎn)生壓力,壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信號:④參考質(zhì)量由彈簧與殼體連接,放在線圈內(nèi)部,反映加速度分量大小的位移改變線圈的電感,從而輸出與加速度成正比的電信號。此外,尚有伺服類型的加速度計,其中引入一個反饋回路,以提高測量的精度。為了測出在平面或空間的加速度矢量,需要兩個或三個加速度計,各測量一個加速度分量。
[1] 測量運載體線加速度的儀表。測量飛機過載的加速度計是早獲得應用的飛機儀表之一。飛機上還常用加速度計來監(jiān)控發(fā)動機故障和
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飛機結(jié)構的疲勞損傷情況。在各類飛行器的飛行試驗中,加速度計是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具。在飛行控制系統(tǒng)中,加速度計是重要的動態(tài)特性校正元件。在慣性導航系統(tǒng)中,高精度的加速度計是基本的敏感元件之一。不同使用場合的加速度計在性能上差異很大,高精度的慣性導航系統(tǒng)要求加速度計的分辨率高達0.001
g,但量程不大;測量飛行器過載的加速度計則可能要求有10
g的量程,而精度要求不高。
閉環(huán)液浮擺式
它的工作原理是:當儀表殼體沿輸入軸作加速運動時,檢測質(zhì)量因慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動,傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電信號,經(jīng)放大后饋送到力矩器構成閉環(huán)。力矩器產(chǎn)生的反饋力矩與檢測質(zhì)量所受到的慣性力矩相平衡。輸送到力矩器中的電信號(電流的大小或單位時間內(nèi)脈沖數(shù))就被用來度量加速度的大小和方向。擺組件放在一個浮子內(nèi),浮液產(chǎn)生的浮力能卸除浮子擺組件對寶石軸承的負載,減小支承摩擦力矩,提高儀表的精度。浮液不能起定軸作用,因此在高精度擺式加速度計中,同時還采用磁懸浮方法把已經(jīng)卸荷的浮子擺組件懸浮在中心位置上,使它與支承脫離接觸,進一步消除摩擦力矩。浮液的粘性對擺組件有阻尼作用,能減小動態(tài)誤差,提高抗振動和抗沖擊的能力。波紋管用來補償浮液因溫度而引起的體積變化。為了使浮液的比重、粘度基本保持不變,以保證儀表的性能穩(wěn)定,一般要求有嚴格的溫控裝置。
撓性擺式
采用撓性支承的擺式加速度計。擺組件用兩根撓性桿與儀表殼體連接。撓性桿繞輸出軸的彎曲剛度很低,而其他方向的剛度很高。它的基本工作原理與液浮擺式加速度計類似。這種系統(tǒng)有一高增益的伺服放大器,使擺組件始終工作在零位附近。這樣撓性桿的彎曲很小,引入的彈性力矩也微小,因此儀表能達到很高的精度。這類加速度計有充油式和干式兩種。充油式的內(nèi)部充以高粘性液體作為阻尼液體,可改善儀表動態(tài)特性和提高抗振動、抗沖擊能力。干式加速度計采用電磁阻尼或空氣膜阻尼,便于小型化、降低成本和縮短啟動時間,但精度比充油式低。
振弦式
由兩根相同的弦絲作為支承的線性加速度計。兩根弦絲在永
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久磁鐵的氣隙磁場中作等幅正弦振動。弦絲的振動頻率與弦絲張力的平方根成比例。不存在加速度作用時,兩根弦絲的張力相等,振動頻率也相等,頻率差等于零。當沿輸入軸有加速度作用時,作用在檢測質(zhì)量上的慣性力使一根弦絲的張力增大,振動頻率升高;而另一根弦絲的張力則減小,振動頻率降低。儀表中設有和頻控
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制裝置,保持兩根弦絲的振動頻率之和不變。這樣兩根弦絲的振動頻率之差就與輸入加速度成正比。這一差頻經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號,脈沖頻率與加速度成正比,而脈沖總數(shù)與速度成正比,因此這種儀表也是一種積分加速度計。弦絲張力受材料特性和溫度影響較大,因此需要有精密溫控裝置和弦絲張力調(diào)節(jié)機構。
擺式積分陀螺
利用自轉(zhuǎn)軸上具有一定擺性的雙自由度陀螺儀來測量加速度的儀表。陀螺轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離內(nèi)環(huán)軸,形成擺性。如果轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動,陀螺組件部分基本上是一個擺式加速度計。當沿輸入軸(即陀螺外環(huán)軸)有加速度作用時,擺繞輸出軸(即內(nèi)環(huán)軸)轉(zhuǎn)動,使軸上的角度傳感器輸出信號,經(jīng)放大后饋送到外環(huán)軸力矩電機,迫使陀螺組件繞外環(huán)軸移動,在內(nèi)環(huán)軸上產(chǎn)生一個陀螺力矩。它與慣性力矩平衡,使角度傳感器保持在零位附近。陀螺組件繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動的角速度正比于輸入加速度,轉(zhuǎn)動角度的大小就是輸入加速度的積分,即速度值。通常在外環(huán)軸上安裝一個脈沖輸出裝置,用以得到加速度計測量的加速度和速度信息:脈沖頻率表示加速度;脈沖總數(shù)表示速度。這種加速度計靠陀螺力
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矩來平衡慣性力矩,它能在很大的量程內(nèi)保持較高的測量精度,但結(jié)構復雜、體積較大、價格較貴。
加速度計的類型較多:
按檢測質(zhì)量的位移方式分類有線性加速度計(檢測質(zhì)量作線位移)和擺式加速度計(檢測質(zhì)量繞支承軸轉(zhuǎn)動);
按支承方式分類有寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等;
按測量系統(tǒng)的組成形式分類有開環(huán)式和閉環(huán)式;
按工作原理分類有振弦式、振梁式和擺式積分陀螺加速度計等;
按輸入軸數(shù)目分類,有單軸、雙軸和三軸加速度計
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2930205 |
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按傳感元件分類,有壓電式、壓阻式和電位器式等。
通常綜合幾種不同分類法的特點來命名一種加速度計。